一种发动机吞水风险的评估方法及装置

本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种用于对发动机吞水风险进行评估的方法及装置。

背景技术：

在飞机起飞前，发动机一直处于高负荷运行状态，这个时候，发动机唇口与地面之间会形成一种叫做“地面涡”的不规则流动，这个涡流有着极高的速度以及极低的压力，会使地面上的颗粒飞起并顺着气流吸入发动机内部，可能会导致发动机性能的降低，更严重的会使发动机遭到破坏。除了固体颗粒，飞机在雨天湿滑的跑道上滑跑时，也会将空气中的水滴或者机轮溅起的水花吸入发动机内。如果吸入的水量过多，可能会导致发动机熄火，或者其他灾难性的破坏。因此，在这方面对发动机进行吞沙、吞水风险评估是有必要的。

因为需要在水上起降，水陆两栖飞机尤其是大型涡扇动力水陆两栖飞机的发动机吞水风险评估分析更为重要。水陆两栖飞机在水面起降过程中，会在机身两侧产生较大的喷溅水流，如果飞机和发动机气动布局不合理或者防喷溅措施不理想，水体可能被喷溅到发动机附近，在发动机的强力吸入作用下而大量进入发动机，造成发动机熄火；更甚者，喷溅可能直接高速打入发动机内，造成发动机的损坏。因此，对水陆两栖飞机尤其是涡扇动力水陆两栖飞机发动机的吞水风险进行评估分析，是设计研制中评价气动布局合理性和防溅措施有效性的必要任务和重要工作。

目前针对发动机吸水量对发动机性能影响的评估，基本上运用喷雾试验的方法，单独测量发动机的吸水量。而应用于实际起降时的试验方法，复杂性与局限性较大，且人力、财力资源消耗巨大，较难实现，因此很难通过试验方式评估水陆两栖飞机发动机的吞水风险。而随着计算机技术的发展，计算流体力学广泛用于航空航天领域，通过数值仿真的方式，可以较为精确的得到飞行器周围的流场分布情况，揭示一定的物理现象，为设计和试验提供指导。数值仿真具有成本低、耗时短、数据全面的优点，同时不受空间尺度限制，可以很容易地模拟实机在真实的条件的工作情况。但两栖飞机水上起降过程的水体喷溅和运动现象复杂，影响因素众多，涉及机体空气绕流、发动机吸气、船体机身水动力等，现有常规的单相流或水气两相流的数值模拟方法难以对水体喷溅和发动机吞水风险做出正确的分析和评估，需要针对该物体过程的特点和发动机吞水风险分析的目的，研究适用于水陆两栖飞机水上起降过程的发动机吞水风险数值仿真方法和策略。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种发动机吞水风险的评估方法及装置，代替昂贵且难以实现的试验分析，推进水陆两栖飞机的设计分析进程，对水陆两栖飞机水面起降滑行的安全性评估具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种发动机吞水风险的评估方法，包括：

基于水陆两栖飞机的几何模型，生成带附面层的流体计算网格；

根据非定常三维不可压雷诺平均navier-stokes方程进行水气两相流的求解；

将求解的结果耦合离散相模型来模拟液滴粒子的运动轨迹；

根据所述液滴粒子的运动轨迹，判断发动机是否有吞水风险。

作为可选的一种技术方案，所述navier-stokes方程采用有限体积法求解，在时间上采用二阶隐式格式离散，空间上采用二阶迎风格式离散。

作为可选的一种技术方案，在所述根据非定常三维不可压雷诺平均navier-stokes方程进行水气两相流的求解的步骤中：

采用vof水气两相流模型捕捉水气自由交界面。

作为可选的一种技术方案，将求解的结果耦合离散相模型来模拟液滴粒子的运动轨迹，进一步包括：

将流场内的空气域和水域赋予相同的来流速度，

采用双时间步长法进行求解，待流场稳定后，开启离散相模型，使具有水的性质的粒子沿水面附近运动模拟液滴粒子的运动；

模拟完成后，得到任意非定常时刻的流场数据和液滴粒子的运动信息。

作为可选的一种技术方案，在将求解的结果耦合离散相模型来模拟液滴粒子的运动轨迹的过程中：将远场边界设为速度入口与压力出口边界条件，发动机入口设为质量流量出口边界条件，发动机出口则采用质量流量入口边界条件。

作为可选的一种技术方案，所述的生成带附面层的流体计算网格是采用分块结构网格或笛卡尔直角网格进行划分的。

作为可选的一种技术方案，在所述根据所述液滴粒子的运动轨迹，判断发动机是否有吞水风险，之后还包括：若有吞水风险，根据发动机进气口处捕捉的液滴粒子数量计算出吞水的流量。

作为可选的一种技术方案，所述生成带附面层的流体计算网格的同时还包括：在水面附近沿水面法向进行各向异性网格加密。

另一方面，本发明提供一种发动机吞水风险的评估装置，包括：

网格划分单元，用于基于水陆两栖飞机的几何模型，生成带附面层的流体计算网格；

数值求解单元，用于根据非定常三维不可压雷诺平均navier-stokes方程进行水气两相流的求解；

模拟单元，用于将求解的结果耦合离散相模型来模拟液滴粒子的运动轨迹；

判断单元，用于根据所述液滴粒子的运动轨迹，判断发动机是否有吞水风险。

本发明相对于现有技术的有益效果是：该评估方法通过先对网格划分，接着水气两相流耦合离散相模型的数值求解计算，最后计算结果的后处理分析，从而能够精确地模拟两栖飞机水面起降滑行时水气两相流的耦合运动，得到数据全面的各个时刻下的流场数据；而且能够很好地模拟两栖飞机水面滑行过程中的喷溅水流，检验防喷溅措施的有效程度；另外，能够很好地评估发动机吞水风险，相对试验分析来说易于实现，节约成本，利于分析水陆两栖飞机水面滑行过程中的安全性。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法中的前处理网格生成策略；

图3是发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法中的计算网格的边界条件设置；

图4是发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法中的测试本发明的算例模型；

图5是发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法中的两栖飞机水面高速滑行时发动机流线示意图；

图6是发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法中的两栖飞机水面高速滑行时各时刻喷溅液滴粒子运动轨迹；

图7是本发明一实施例提供的一种发动机吞水风险的评估装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种发动机吞水风险的评估方法，该方法主要包括三个部分：数值仿真前处理网格划分、水气两相流耦合离散相模型的数值求解计算、计算结果的后处理分析，下面对这三个部分具体介绍。

参照图1，图1是本实施例提供的一种发动机吞水风险的评估方法的流程图，由图中可以看出，该评估方法包括以下步骤：

s10：基于水陆两栖飞机的几何模型，生成带附面层的流体计算网格；

具体的，前处理除了对几何模型的处理之外，关键的是要生成符合该问题数值仿真的计算网格。由于该问题涉及到对水气交界面的捕捉，一般要求水面附近的网格是规整的六面体网格以实现对水面的精准捕捉，因此常规四面体非结构网格不适用于此，推荐采用分块结构网格和笛卡尔直角网格。考虑到两栖飞机几何外形的复杂性，笛卡尔直角网格更为合适，可以大大缩短前处理耗时。为了更精确地捕捉水气交界面，需要对水面附近的网格进行局部加密，如图2所示，笛卡尔直角网格方便实现各向异性加密，既保证了水面法向高度的网格尺寸加密，又不会像各向同性加密一样过分增大网格量，可以大大节省计算时间。几何物面附近的网格按需加密，使网格可以较好地捕捉几何特征。同时，在几何表面生成粘性计算所需的附面层网格。

s20：根据非定常三维不可压雷诺平均navier-stokes方程进行水气两相流的求解；

具体的，对于常规飞行器的数值仿真，通常流场中只考虑空气，求解单相流体的navier-stokes方程。而对于水陆两栖飞机的水面起降、滑行问题，数值仿真中还需要将水考虑进来，一般采用vof(volumeoffluid)方法，在计算中添加体积分数这一物理量来表示每个计算网格单元内空气与水所占的比值。这里水和空气作为连续相，在每个时间步上通过求解navier-stokes方程得到常规的物理量，之后额外求解一个vof输运方程得到全流场的在每个计算单元内水和空气所占有的体积率。以上是一般处理两相流数值仿真问题的思路。而对于喷溅和液滴的数值模拟，此时水滴在网格内的占比很小，简单地采用vof方法无法捕捉到细小的液滴，除非将网格尺寸加密到足够小，这样又会大大增大计算量，极大地延长计算时间，是得不偿失的。但是，水陆两栖飞机水面滑行产生的喷溅液滴对于评估发动机吸水风险是非常必要的，因而单独采用vof法无法较好的进行评估。因此，这里采用一种vof法与离散相模型(discretephasemodel，dpm)耦合的方法(vof-dpm法)来模拟喷溅液滴。vof-dpm法的思想是首先通过基于vof法的两相流数值仿真方法计算连续相流场，然后在流场中释放粒子群作为离散存在的一个个液滴颗粒，再结合解得的连续相流场变量求解每一个颗粒的受力情况来获得颗粒的速度，得到颗粒随时间的位移，从而追踪每一个颗粒的轨迹，这些轨迹就用来模拟喷溅水流的轨迹。若粒子轨迹进入发动机进气口，则表明发动机有吞水风险。吞水量可以根据进入发动机进气口的粒子流量得到。

在本实施例中，具体的数值求解实施方法是基于非定常三维不可压雷诺平均navier-stokes方程进行离散求解，采用适当的湍流模型封闭控制方程，navier-stokes控制方程采用有限体积法求解，在时间上采用二阶隐式格式离散，空间上采用二阶迎风格式离散，采用vof模型捕捉水气自由交界面。

s30：将求解的结果耦合离散相模型来模拟液滴粒子的运动轨迹；

具体的，在本实施例中，边界条件设置如图3所示，远场边界设为速度入口边界条件1和压力出口边界条件2。速度入口边界条件1上除了要给定滑行速度、静温外，还得根据水线5的高度给定水和空气的体积占比，而压力出口边界条件2则要根据水线5的高度给定水和空气的体积占比和压力。水陆两栖飞机表面设为无滑移壁面条件。涡扇发动机进气口设为质量流量出口边界条件3，发动机内外涵道喷口设为质量流量入口边界条件4，根据发动机的性能和工作情况设定相应的质量流量。初始化时，对整个计算域网格赋予滑行速度，同时根据水线5的高度对整个计算域网格给定水和空气的体积占比和压力。首先先用定常求解得到大概的稳定流场，然后基于该稳定流场进行二阶隐式时间格式的非定常计算。待到非定常流场计算稳定后，开启dpm模型，在离机头较远处，以水面及其以下一定位置和大于机身宽度划定一个区域，从该区域上均匀释放粒子群，粒子数按需给定，设置粒子的属性是水，粒子的半径大小和粒子的初始运动速度。每一个时间步上一群粒子都会从该区域上释放出来，根据连续相流场中的水流一起运动，期间粒子的运动状态受流场物理量和重力控制。当粒子到达机体物面处时，基于碰撞理论，粒子的运动状态会发生改变。由于粒子群是连续不断地释放的，每个时刻粒子的运动轨迹可以很直观地得到，以此来模拟喷溅水流的运动以及液滴的飞溅。

s40：根据所述液滴粒子的运动轨迹，判断发动机是否有吞水风险。

具体的，后处理方法主要是观察液滴粒子的运动轨迹，看是否有粒子达到发动机进气口处来进行发动机吞水风险评估。若飞溅的粒子进入到发动机进气口的流线范围(地面涡)内，则粒子很有可能在气流的作用下进入到进气口，也有可能粒子被吸引后又脱离了地面涡范围，无法被进气口边界补货。若轨迹进入发动机进气口，则表明发动机有吞水风险，反之则没有吞水风险；若有吞水风险，根据发动机进气口处捕捉的液滴粒子数量可以计算出吞水的流量。具体的，液滴粒子是半径为r、密度为ρ的球体，若每个计算时间步δt上共有n颗粒子进入发动机，则吞水的流量计算公式为：

图4所示的是验证本发明可行性的两栖飞机水面滑行算例模型，模型包括机翼6、机身7、涡扇发动机8和机身前部防溅条9，为减少计算量，采用半模进行数值仿真，设置对称面边界条件。为了避免机翼6对发动机8产生地面涡的遮挡，将发动机8至于机翼6的前部，该布局同时可以起到靠发动机喷流增大升力的作用。图5中可以看到发动机的流线10和水面11，水面11仅模拟出了大致的喷溅形状，可见喷溅处于发动机流线10的范围之内，而vof方法捕捉到的水面无法较好地模拟发动机对喷溅的吸引。图6显示的是开启了dpm方法之后，不同时刻下粒子的运动轨迹，可以看出粒子撞击机身之后，喷溅受到防溅条的抑制作用后从防溅条中溢出，随后溢出的喷溅在t＝2.5s时刻受到发动机吸引后粒子的高度增加，而后粒子又脱离了发动机吸力范围，使得喷溅向下溃散。该算例发动机没有吞水风险。

另外需要说的是，本实施例提供的一种评估水陆两栖飞机发动机吞水风险的数值仿真分析方法，后续还可以与数值造波方法、六自由度运动和动网格方法相结合，来模拟评估水陆两栖飞机整个起降过程中发动机的吞水风险，对于水陆两栖飞机的设计分析具有很好的应用价值。

另外，参照图7，本实施例提供一种发动机吞水风险的评估装置，该评估装置具体包括：网格划分单元100，用于基于水陆两栖飞机的几何模型，生成带附面层的流体计算网格；由于具体的网格划分方法及过程在上述一种发动机吞水风险的评估方法的步骤s10中已经详细阐述，故在此不再赘述。

数值求解单元200，用于根据非定常三维不可压雷诺平均navier-stokes方程进行水气两相流的求解；由于具体的数值求解方法及过程在上述一种发动机吞水风险的评估方法的步骤s20中已经详细阐述，故在此不再赘述。

模拟单元300，用于将求解的结果耦合离散相模型来模拟液滴粒子的运动轨迹；由于具体的模拟方法及过程在上述一种发动机吞水风险的评估方法的步骤s10中已经详细阐述，故在此不再赘述。

判断单元400，用于根据所述液滴粒子的运动轨迹，判断发动机是否有吞水风险。由于具体的判断方法及过程在上述一种发动机吞水风险的评估方法的步骤s10中已经详细阐述，故在此不再赘述。

另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的实物设备与虚拟网络仿真平台的通信方法的部分或全部步骤。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：read-onlymemory，简称：rom)、随机存取器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)、磁盘或光盘等。

以上参照附图描述了根据本发明的实施例的用于实现服务链的方法的示例性流程图。应指出的是，以上描述中包括的大量细节仅是对本发明的示例性说明，而不是对本发明的限制。在本发明的其他实施例中，该方法可具有更多、更少或不同的步骤，且各步骤之间的顺序、包含、功能等关系可以与所描述和图示的不同。